TDR-Messtechnik: Impedanzen auf Leiterplatten und in Steckern analysieren

| Autor / Redakteur: Thomas Stüber * / Hendrik Härter

TDR-Messgerät: 
Impedanzschwankungen sind bei schnellen Datensignalen ein Hauptproblem für Signalintegritätsprobleme.
TDR-Messgerät: 
Impedanzschwankungen sind bei schnellen Datensignalen ein Hauptproblem für Signalintegritätsprobleme. (Bild: Teledyne LeCroy)

Mit TDR-Messgeräten lassen sich Impedanzen auf Leiterplatten und in Steckern analysieren. Der Messtechniker bekommt mit einer speziellen Geräteserie Einblick in Impedanz und ihren Auswirkungen.

Impedanzschwankungen sind bei schnellen Datensignalen ein Hauptproblem für Signalintegritätsprobleme. Neben material- und produktionsspezifischen Variationen können sie auch design-spezifische Ursachen haben: Lagenwechsel, zu kleine Abstände zu Masse-Ebenen, PCB-Grenzen oder falsche Berechnung der Übertragungsstrecken. In der Folge verschlechtern sich Taktflanken und Symbolinterferenzen treten auf. Daraus resultieren inakzeptable Bitfehler und schließlich verschlechtert sich die Leistung, was auch zu einem Systemausfall führen kann.

Sogenannte TDR-Messgeräte, was für Time Domain Reflectometry steht, analysieren zeitaufgelöst Impedanzen auf Leiterplatten und/oder Steckern. Ähnlich wie aus der Luftfahrt bekannten Radar werden elektromagnetische Signale auf das zu vermessende Objekt gesendet und die auftretenden Reflexionen detektiert. Bei hochwertigen TDRs besteht das elektromagnetische Signal aus einem sehr schnellen Spannungssprung mit einer Anstiegszeit von einigen Pikosekunden, der über eine Zuleitung dem Messobjekt zugeführt wird. Trifft das Signal auf Störstellen oder Wellenimpedanzsprünge, so entstehen dort Reflexionen. Aus dem Zeitpunkt, der Amplitude und der Kurvenform einer Reflexion können Ort, Art und Größe der Impedanzänderung bestimmt werden.

Ist die Kontrolle der Impedanz nur ein Nischenmarkt?

Entwickler und Hersteller können aus einer Vielzahl von differentiellen TDR-Systemen (DTDR) für die Impedanzmessung wählen: von kostengünstigen bis zu extrem teuren. Einige High-End-TDR-Systeme werden von renommierten Messtechnikherstellern angeboten. Sie finden sich in der Hochgeschwindigkeits-Oszilloskope. Diese Geräte eignen sich sehr gut für die Messung von Übertragungssystemen bis 20 GBit/s und darüber hinaus.

Die Impedanzkontrolle scheint jedoch nur ein Nischenmarkt für die High-End-Gerätehersteller zu sein. Konsequenterweise werden keine dedizierten Industrielösungen angeboten und potenzielle Anwender laufen Gefahr, sich schnell im Dschungel der allgemeinen HF-Messtechnik zu verlieren, bevor sie das Endziel der Impedanzmessung erreichen.

Impedanzen an Leiterplatten, Kabel und Stecker messen

Eine Lösung bietet Teledyne Test Tools mit der neuentwickelten TDR-Messgeräteserie T3SP. Hierbei handelt es sich um ein kostengünstiges Tool, dass Impedanzen an Leiterplatten, Kabel und Stecker misst und speziell optimiert wurde. Damit bietet der Hersteller ein kleines und handliches Messgerät, das eine hohe zeitliche Auflösung von <3 mm bei Messungen auf Leiterplatten bietet und ist durch ein eingebautes Schutzrelais gegen elektrostatische Aufladung geschützt ist. Der Anwender bedient das Gerät direkt über einen PC und wertet auch dort die Messdaten mit der mitgelieferte PC-Software aus. Hierzu stehen vielfältige Analysemöglichkeiten zur Verfügung. Entwicklern und Qualitätsprüfer müssen ihre Ergebnisse in der Regel dokumentieren. Diese Aufgabe ist nicht nur zeitraubend und langwierig, sondern auch unpopulär. Abhilfe verspricht die mitgelieferten Software, mit der der Messtechniker mit wenigen Klicks eine aussagekräftige Dokumentation erstellt hat.

Damit die Leistungsfähigkeit eines TDR-Messgerätes anschaulich wird, soll eine Beispielmessung an einer Testplatine mit unterschiedlichen Vias und mehreren Lagenwechsel helfen. Das Bild 1 zeigt die Struktur einer differenziellen Leitung mit einem Widerstand von 100 Ohm auf einer vierlagigen Testplatine. Dabei verläuft die Leitung anfangs als Mikrostreifenleitung auf der Außenlage (Lage eins) und geht dann über Vias auf Lage zwei. Dort verläuft sie als Streifenleitung und kommt über zwei weitere Vias wieder an die Oberfläche in Lage eins. Dieser Verlauf wiederholt sich nochmals und die Leitung endet schließlich in Lage eins. Der Durchmesser der verwendeten Vias sind auf der Testplatine unterschiedlich. Dabei reichen die Durchmesser der einzelnen Vias von einem Millimeter; 0,8 mm; 0,5 mm und endet mit 0,3 mm.

Warum die Zielimpedanz nicht erreicht wurde

Es zeigt sich, dass auf dieser Testplatine die Zielimpedanz von 100 Ohm nicht erreicht wurde. Die Mikrostreifenleitung hat eine Impedanz von Z0~ 115 Ohm, während die Impedanz der Streifenleitung Z0~ 110 Ohm beträgt. Dafür gibt es zwei Ursachen: Zum einen kann das Design fehlerhaft sein, zum anderen kann die Impedanz-Abweichung auch durch die Toleranz in der Fertigung kommen. Deutlich sichtbar sind die unterschiedlichen Einflüsse der Vias in Abhängigkeit des Durchmessers der Vias erkennbar. Im nächsten Beispiel wurde der gleiche Aufbau gewählt.

Allerdings wurden die Standard Vias durch Blind-Vias ersetzt. Blind-Vias gehen nicht durch die ganze Platine, sondern verbinden nur die Lagen eins und zwei verbinden. Überlagert man die Messungen der beiden Teststrukturen, so erkennt man, dass die Blind Vias den Impedanzverlauf deutlich weniger stören. Blind Vias sind deutlich teurer in der Herstellung. Deshalb werden sie aus wirtschaftlichen Gründen nur dort eingesetzt, wo sie zwingend erforderlich sind. Für diese Betrachtung ist es sinnvoll, die Anstiegszeit des TDR-Pulses auf die in einem echten System verwendete Anstiegszeit zu begrenzen.

Bitraten über 10 GBit sicher analysieren

In Bild 2 wurde zuerst die Anstiegszeit auf 200 ps begrenzt, was einer typ. Anstiegszeit für ein 1,5 GBit Signal mit einer Anstiegszeit von 30% entspricht, danach auf 120 ps = 2,5 GBit und am Ende auf 60 ps = 5 GBit. An Hand der Impedanzkurven kann der Einfluss der Via nun im Detail auf die unterschiedlichen Datenraten beurteilt werden. Schon bei einer Anstiegszeit von 200 ps ist der Einfluss der Via mit einem Durchmesser von 1 mm mit einem Widerstand von ca. 15 Ohm nicht unerheblich, während die kleinste Via mit 0,3 mm nahezu keinen Impedanzsprung zeigt. Akzeptiert man einen Impedanzsprung von <10 Ohm, so eignet sich die Via mit 0,3 mm durchaus für Datenraten von >= 5 GBit.

Wichtig ist der Zusammenhang der Eigenanstiegszeit des TDR-Instruments und der gefilterten Anstiegszeit zu verstehen. Die Eigenanstiegszeit des TDR-Pulses begrenzt die örtliche Auflösung mit der eine Stoßstelle lokalisiert werden kann. Hier erreicht man mit den einer Anstiegszeit von 35 ps des T3SP15D eine Auflösung von typ. 3 mm auf dem Leiterplattenmaterial FR4. Mit der in der Software über eine Filterfunktion begrenzte Anstiegszeit kann die Auswirkung einer Stoßstelle auf ein reales System übertragen werden. Setzt man für eine Übertragungssystem als Grenze eine typische Anstiegszeit von 30 bis 40% der Bitlänge an, lassen sich mit einer Bandbreite von 15 GHz des T3SP15D Einflüsse durch Impedanzänderungen für Bitraten bis über 10 GBit sicher analysieren.

Leiterplatten und Messtechnik

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* Thomas Stüber ist Leiter Applikationen und Produktspezialist bei Teledyne LeCroy in Heidelberg.

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